高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素分析

馮雪松

（國家廣播電視總局五四二臺，北京 102445）

高通量衛(wèi)星通過對多點(diǎn)波束頻率復(fù)用等方式的有效利用，促使衛(wèi)星相應(yīng)的傳輸容量實(shí)現(xiàn)顯著的提高，并使單位帶寬相應(yīng)成本大幅降低。在高通量衛(wèi)星出現(xiàn)以及發(fā)展過程中，給人們的生活與生產(chǎn)帶來了極大的改變，被普遍應(yīng)用到了基站回傳、寬帶接入以及數(shù)據(jù)中繼等多個(gè)方面。要實(shí)現(xiàn)高通量衛(wèi)星發(fā)揮其最大功效，就要對與之相關(guān)的因素進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)各個(gè)因素的全面考慮與衡量。

一、高通量衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

從目前的發(fā)展情況來看，全球已有約40 家衛(wèi)星運(yùn)營商，高通量衛(wèi)星數(shù)量超過80 顆。目前高通量衛(wèi)星分為以下幾種類型：①部分高通量衛(wèi)星使用了Ka 頻段多點(diǎn)波束頻率復(fù)用，如歐洲通信衛(wèi)星公司的Ka-sat；②部分高通量衛(wèi)星使用了C/Ku 頻段多點(diǎn)波束頻率復(fù)用，如ABS-2A；③部分高通量衛(wèi)星系統(tǒng)在應(yīng)用中使用到了全球布局，如Inmarsat-5；④部分高通量衛(wèi)星系統(tǒng)在應(yīng)用中使用到了區(qū)域布局，如Ipstar；⑤部分高通量衛(wèi)星點(diǎn)波束較大，覆蓋范圍較廣，如03B 衛(wèi)星的一個(gè)點(diǎn)波束的直徑在700km 左右；⑥部分高通量衛(wèi)星點(diǎn)波束較小，如Viasat-1 衛(wèi)星的一個(gè)點(diǎn)波束的直徑在350km 左右；⑦部分高通量衛(wèi)星會設(shè)計(jì)成專用類衛(wèi)星，如Ka-sat。由此可見，高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直處于不斷更新的狀態(tài)。

二、高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要構(gòu)成

1．靈活載荷衛(wèi)星

在高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，靈活載荷衛(wèi)星屬于重要組成，有效荷載主要是由透明轉(zhuǎn)發(fā)器、跳波束控制器構(gòu)成，基于多波束縛天線來完成用戶間的順利通信；透明轉(zhuǎn)發(fā)器在應(yīng)用中的主要作用，是對信號進(jìn)行變頻、放大與轉(zhuǎn)發(fā)處理；跳波束控制器負(fù)責(zé)對控制指令進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以此來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星波束的同步跳變，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。基于星載天線的差異性，波束跳變的實(shí)現(xiàn)方案也存在較大差異，借助單口徑陣列饋電反射面天線系統(tǒng)，通過開關(guān)矩陣能夠順利實(shí)現(xiàn)波束的切換，搭配著相控陣天線系統(tǒng)可以借助多端口放大器、聯(lián)合波束網(wǎng)絡(luò)完成信息切換，從而提高系統(tǒng)功能分配的靈活性，滿足不同情況下的應(yīng)用要求。

2．網(wǎng)絡(luò)控制中心

網(wǎng)絡(luò)控制中心作為整個(gè)系統(tǒng)的核心內(nèi)容，負(fù)責(zé)綜合管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以此來維持系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性。具體應(yīng)用中負(fù)責(zé)以下工作內(nèi)容：①控制指令生成，根據(jù)得到的反饋數(shù)據(jù)，可以生成對應(yīng)的控制指令，借助反饋數(shù)據(jù)下調(diào)到對應(yīng)區(qū)域，以滿足相應(yīng)的運(yùn)行要求；②用戶接入控制，對于加入的用戶都會在應(yīng)用前進(jìn)行統(tǒng)一考核，根據(jù)考核結(jié)果確定其是否滿足安全性要求，滿足要求后再允許其進(jìn)入到主系統(tǒng)當(dāng)中；③資源分配管理，對于已有資源進(jìn)行整理，了解不同類型資源的存量，擬定合理措施來處理相關(guān)問題，以提高系統(tǒng)整體運(yùn)行結(jié)果的合理性；④用戶信息管理，對于進(jìn)入到系統(tǒng)中的用戶，會對這些應(yīng)用信息進(jìn)行綜合化整理，也為后續(xù)相關(guān)工作的展開奠定基礎(chǔ)；⑤系統(tǒng)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)，以日、月、季度、年為單位來統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)服務(wù)任務(wù)，了解每月、季度、年的任務(wù)完成情況；⑥系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理，對于系統(tǒng)運(yùn)行安全性進(jìn)行綜合化管理，降低不確定因素帶來的干擾性。

3．信關(guān)站

信關(guān)站的主要作用是建立系統(tǒng)和地面網(wǎng)絡(luò)之間的接口，依托不同標(biāo)準(zhǔn)的專用接口設(shè)備，可以對外提供可靠的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，如PSTN、ISDN、互聯(lián)網(wǎng)等，從而為地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供良好的接入平臺，滿足信息運(yùn)行要求。為了提高帶寬資源的利用效率，確保信息的大容量傳輸，所建立的信關(guān)站會支持Q/V 頻段運(yùn)行要求。但是Q/V 頻段所產(chǎn)生的雨衰量較大，為了確保所有業(yè)務(wù)的無損落地，可以利用智能信關(guān)站來完成系統(tǒng)互聯(lián)，以此來提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用過程的靈活性。不同信關(guān)站之間的位置相對較遠(yuǎn)，其信道條件相對獨(dú)立，可相互作為備份，以此來確保業(yè)務(wù)傳輸過程的穩(wěn)定性。另外，在系統(tǒng)同步處理中，會基于NCC 來擬定時(shí)間計(jì)劃表，以此來提高業(yè)務(wù)傳輸結(jié)果的合理性與安全性。

4．用戶終端

用戶終端是進(jìn)行人機(jī)信息交互的重要載體，在運(yùn)行中既包含了可以單獨(dú)運(yùn)行的小型終端設(shè)施，同時(shí)也設(shè)置了和外部互聯(lián)網(wǎng)、PSTN 順利關(guān)聯(lián)在一起的大型設(shè)備站，能夠同時(shí)支持Ku/Ka 等頻段，確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性。在具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，會使用帶4k/8k 分辨率顯示屏，搭配著各類傳輸系統(tǒng)，順利實(shí)現(xiàn)信息的快速交互，提高信息傳輸結(jié)果的合理性與可靠性。

三、高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素整理

1．市場發(fā)展層面

從市場發(fā)展層面展開分析，所設(shè)計(jì)因素帶來的影響性如下。第一，市場的需求情況，根據(jù)供求理論可以得知，在市場供大于求的情況下，產(chǎn)品價(jià)值會沿著下降的趨勢發(fā)展，反之產(chǎn)品價(jià)格上漲。在對高通量衛(wèi)星進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也需要遵循此規(guī)律，根據(jù)市場對于此內(nèi)容的需求情況，擬定可靠設(shè)計(jì)措施，以此來提高設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性與可靠性，更好地滿足市場發(fā)展提出要求。第二，在通信行業(yè)的發(fā)展活動中，全球化、寬帶、空地一體以及移動是未來重要的發(fā)展趨勢，基于此來對高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)展開綜合化設(shè)計(jì)時(shí)，也需要綜合考慮這些因素帶來的不確定影響，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速傳遞，更好的填充市場運(yùn)行時(shí)的空缺問題。例如，Inmarsat 作為目前全球最大的MSS 運(yùn)營商，其在船舶安全管理、通信服務(wù)管理等方面占據(jù)較強(qiáng)的壟斷地位，近年來在傳播與航空領(lǐng)域?qū)拵Щㄐ虐l(fā)展需求逐步提高，而Inmarsat 所生產(chǎn)的第四代系統(tǒng)最大共享帶寬只有500Kps，無法滿足市場發(fā)展要求。為了適應(yīng)市場發(fā)展要求，Inmarsat 推出了第五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，利用四顆同步Ka衛(wèi)星，順利完成各頻帶業(yè)務(wù)拓展，滿足了市場運(yùn)營要求，鞏固了該運(yùn)營商的市場地位。

2．發(fā)展政策層面

從發(fā)展政策層面展開分析，所設(shè)計(jì)因素帶來的影響性如下。第一，各地政策的頒布情況，根據(jù)高通量衛(wèi)星應(yīng)用情況可以得知，其不僅在民用范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，而且也在軍事方面得到了良好應(yīng)用，因此，在對高通量衛(wèi)星進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也需要遵循此規(guī)律，做好發(fā)展政策相關(guān)內(nèi)容的綜合整理，以此來制定合理的設(shè)計(jì)措施，提高設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性，從而更好地滿足市場發(fā)展提出要求。第二，在通信行業(yè)的發(fā)展活動中，也需要綜合市場發(fā)展需求和政策發(fā)展趨勢等內(nèi)容，對高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致化設(shè)計(jì)，確定不同區(qū)域的使用要求和約束條件，避免出現(xiàn)系統(tǒng)逾越“紅線”的情況，提高系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性。例如，中國衛(wèi)通作為國內(nèi)運(yùn)營商，其在本土領(lǐng)域和臨近海域中均有著良好應(yīng)用。但是在本土范圍內(nèi)存在許多軍工廠、軍事禁區(qū)等，這也需要在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)只側(cè)重于民用領(lǐng)域，涉及軍事領(lǐng)域的部分也會按要求歸屬軍方進(jìn)行應(yīng)用，以滿足市場發(fā)展要求。

3．軌位資源層面

從軌位資源層面展開分析，所設(shè)計(jì)因素帶來的影響性如下：（1）空間軌位占有率方面，根據(jù)目前高通量衛(wèi)星應(yīng)用情況可以得知，軌道的位置總量有限，根據(jù)以往數(shù)據(jù)可以得知，同平面軌道上衛(wèi)星角度的容錯(cuò)率最大值不能低于3 °，即同平面上的衛(wèi)星數(shù)量最大數(shù)量不能超過120 顆。因此，在對高通量衛(wèi)星進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也需要遵循此規(guī)律，做好軌位資源的合理化分配，根據(jù)整理結(jié)果來制定合理的設(shè)計(jì)措施，提高資源分配結(jié)果的合理性，滿足相應(yīng)的資源應(yīng)用要求。（2）從通信行業(yè)的發(fā)展情況來看，也需要做好帶寬參數(shù)的合理分析，根據(jù)得到的綜合分析結(jié)果來高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容展開細(xì)化梳理，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性。例如，目前Ku 與C 軌位相關(guān)資源已經(jīng)被傳統(tǒng)通信衛(wèi)星所占據(jù)，基本上已經(jīng)處于較為飽和的狀態(tài)，而Ka 軌位相對寬松，其吞吐量相對較大，復(fù)用率也相對較高，從而滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行要求，提升系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

4．雨衰層面

從雨衰層面展開分析，所設(shè)計(jì)因素帶來的影響性如下：（1）分析高降雨衰減情況，根據(jù)目前高通量衛(wèi)星應(yīng)用情況可以得知，在頻率越高的情況下，降雨衰減速度也會較高。根據(jù)以往數(shù)據(jù)可以得知，C 頻段的可用度相對較高，即使在降雨量較大的區(qū)域，其上下鏈路的備余量能夠達(dá)到99.99%可用度。而Ku 頻段的雨衰問題會超過C 頻段一個(gè)量級，在降雨量較小的區(qū)域，其上下鏈路的備余量能夠達(dá)到99.99%可用度。而Ka 頻率大于C/Ku 頻段，若想滿足99.99%可用度要求，需要預(yù)留出足夠存量，但即使這樣依舊無法達(dá)到99.99%可用度。因此，需要結(jié)合實(shí)際情況做好頻段選擇，以提高分析結(jié)果的合理性與可靠性，同時(shí)也會借助ACM 技術(shù)來增設(shè)天線口徑來完成補(bǔ)償，以達(dá)到預(yù)設(shè)的管理要求。（2）在業(yè)務(wù)開展活動中，也需要做好通過調(diào)整通信的方式來調(diào)整高通量衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，如機(jī)載通信、數(shù)字影院、節(jié)目交換等，以此來完成系統(tǒng)優(yōu)化處理，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。例如，在機(jī)載通信的應(yīng)用中，飛機(jī)除了起飛與降落，大部分時(shí)間都是在對流層上方飛行，所設(shè)計(jì)的機(jī)載通信可以最大限度規(guī)避惡劣天氣影響，維持了穩(wěn)定的系統(tǒng)工作狀態(tài)。

5．系統(tǒng)覆蓋層面

根據(jù)目前高通量衛(wèi)星應(yīng)用情況可以得知，明確運(yùn)營商的目標(biāo)市場與定位，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且在相同負(fù)荷能力的共同作用下，每個(gè)點(diǎn)的波束相對較大，其對應(yīng)的衛(wèi)星覆蓋范圍也在增大，反之其覆蓋范圍也會縮小?；诖?，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合實(shí)際情況做好相關(guān)選擇，從而得到準(zhǔn)確和合理地分析結(jié)果，以達(dá)到預(yù)設(shè)的應(yīng)用要求。例如，將03B 在應(yīng)用中的點(diǎn)波束相對較少，每一顆衛(wèi)星的移動點(diǎn)波束數(shù)量為12 個(gè)，其中10 個(gè)為用戶波束、2 個(gè)為關(guān)口站波束。每一個(gè)波束的單向速率為600Mbps，了解離散點(diǎn)覆蓋情況等，過程中也需要做好高速中繼與基站回傳業(yè)務(wù)優(yōu)化，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性與可靠性[1]。

6．系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面展開分析，所設(shè)計(jì)因素帶來的影響性如下。第一，根據(jù)目前高通量衛(wèi)星應(yīng)用情況可以得知，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)活動中需要做好吞吐量內(nèi)容的分析工作，綜合分析各項(xiàng)參數(shù)信息，客觀分析吞吐量相關(guān)內(nèi)容，并以此來完成相關(guān)內(nèi)容整理，達(dá)到預(yù)設(shè)的管理要求。例如，在Hughes作為一顆柔性較高的衛(wèi)星，可以借助相控陣天線來完成波束、指向、功率等內(nèi)容整理，以此來提高載荷內(nèi)容的靈活性，滿足系統(tǒng)的吞吐量發(fā)展要求。第二，在對高通量衛(wèi)星系統(tǒng)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，也需要充分借助波束交鏈、可移動點(diǎn)波束等技術(shù)來展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提升衛(wèi)星工作狀態(tài)的靈活性，下降市場運(yùn)行階段的風(fēng)險(xiǎn)性[2]。例如，Spaceway-3衛(wèi)星在應(yīng)用中的吞吐量較高，在完成處理后其容量也會快速用盡，無法滿足柔性設(shè)計(jì)要求。因此會在其他技術(shù)輔助下順利完成荷載設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)運(yùn)行效益的穩(wěn)定性。

7．系統(tǒng)運(yùn)行層面

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中也需要做好運(yùn)營模式的合理優(yōu)化，目前常用的運(yùn)營模式包括封閉運(yùn)營模式與開放運(yùn)營模式，前者在應(yīng)用中具有良好的吞吐量利用率，同時(shí)運(yùn)行時(shí)的收益率較高，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大，無法完全做好系統(tǒng)運(yùn)行兼容。后者在運(yùn)營中的收益率較低，但風(fēng)險(xiǎn)相對較低，收入存在較大保障，和傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)備間具有良好的兼容性與靈活性。因此在設(shè)計(jì)活動中，需要注意以下內(nèi)容。第一，封閉運(yùn)營模式在使用中，多數(shù)情況下都是非對稱設(shè)計(jì)，其內(nèi)容的服務(wù)對象為寬帶接入業(yè)務(wù)，從而可以為客戶提供Mbps 流量產(chǎn)品，具有帶寬利率高、系統(tǒng)吞吐量大、建設(shè)成本高等應(yīng)用優(yōu)勢，在使用中需要搭配完善支撐服務(wù)體系進(jìn)行應(yīng)用，確保系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性[3]。第二，開放運(yùn)營模式在使用中，多數(shù)情況下都是對稱設(shè)計(jì)，主要是銷售轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，其業(yè)務(wù)管理過程和傳統(tǒng)衛(wèi)星相類似，并且也需要減少支撐服務(wù)體系的應(yīng)用，搭配著Epic 系統(tǒng)來維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行要求。

8．容量分配層面

在高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的運(yùn)行中，系統(tǒng)容量的分配情況也會直接影響到高通量衛(wèi)星容量利用率。在具體的設(shè)計(jì)活動中，需要避免點(diǎn)束容量用盡的情況，同時(shí)在應(yīng)用中也需要做好點(diǎn)波束容量閑置，防止波束存在冷熱均勻度較差的情況。而且在合理分配容量時(shí)，需要對市場運(yùn)行情況進(jìn)行細(xì)致化調(diào)研，過程中也需要保持較高的前瞻性，提高系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性。例如，在Ka-sat 的電波束已經(jīng)處于保護(hù)狀態(tài)，其他位置的點(diǎn)波束處于空閑的情況，此時(shí)則需要做好市場策略的優(yōu)化處理，這樣也可以提高所整理內(nèi)容的合理性，滿足各類信息應(yīng)用過程的可靠性[4]。另外，在03B 衛(wèi)星系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，也需要做好移動點(diǎn)波束的靈活設(shè)計(jì)，此狀態(tài)下用戶衛(wèi)星可以根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)，提高了衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)吞吐量的合理性。

結(jié)語

綜上所述，在衛(wèi)星通信行業(yè)快速發(fā)展過程中，衛(wèi)星發(fā)射業(yè)以及衛(wèi)星制造業(yè)也得到了有效發(fā)展，通過利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，可以完成科學(xué)技術(shù)含量極高高通量衛(wèi)星的研制。而且在高通量衛(wèi)星設(shè)計(jì)過程中，要注意到工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性，以此來設(shè)計(jì)出高通量衛(wèi)星系統(tǒng)，使其可以滿足市場的需求，實(shí)現(xiàn)社會效益與經(jīng)濟(jì)效益的最大化。